충전식 리튬이온 배터리의 일반적인 충전 솔루션으로는 콘센트 기반 충전 IC와 USB 기반 충전 IC가 있다. 이러한 충전 IC는 저렴하지만 작동을 위해 주전원에 연결되어야 한다. 주전원에 대한 의존성은 전기료를 증가시키고 온실가스 배출을 증가시킨다. 더욱이, 주전원에 의존하기 때문에 휴대성이 떨어질 수 있다. 보다 환경 친화적으로 배터리 수명을 늘리기 위해서는 태양열 패널을 사용한 충전 IC가 이상적일 수 있으며, 태양열 충전 IC는 이동성을 증가시키는 추가 장점이 있다. 이 글에서는 태양열 충전 솔루션을 개발할 때 고려해야 하는 특수한 요건에 대해 살펴본다.

최근 태블릿 PC, 휴대형 비디오 게임, 독립형 영화 플레이어, 디지털 사진 액자와 같은 배터리로 구동되는 소형 디바이스의 수가 크게 증가했다. 일반적으로, 이러한 디바이스는 충전식 리튬이온 배터리를 사용한다.
일반적인 충전 솔루션으로는 콘센트 기반 충전 IC와 USB 기반 충전 IC가 있다. 이러한 충전 IC는 저렴하지만 작동을 위해 주전원에 연결되어야 한다. 주전원에 대한 의존성은 전기료를 증가시키고 온실가스 배출을 증가시킨다.
더욱이, 주전원에 의존하기 때문에 휴대성이 떨어질 수 있다. 보다 환경 친화적으로 배터리 수명을 늘리기 위해, 태양열 패널을 사용하여 주변 빛을 활용하는 충전 IC가 이상적일 수 있다. 태양열 충전 IC는 이동성을 증가시키는 추가 장점이 있다.
태양열 패널은 주변 환경에 따른 시변 전압 및 전류를 가진 고출력 임피던스 전원으로 작동하여 설계 시 특수한 사항을 고려해야 한다. 이것은 양호하게 사전 정의된 전압에 따라 저출력 임피던스 전원으로 작동하는 콘센트 어댑터나 USB 전원과 다른 점이다. 태양열 충전 솔루션의 주요 고려 사항으로는 MPPT(Maximum Power Point Tracking), 역누설 보호, 충전 종료 기법 및 태양열 패널 붕괴 방지가 있다.

Maximum Power Point MPP 추적

MPP(Maximum Power Point)는 최대 전력을 추출할 수 있는 태양열 셀의 작동영역이다. 이 영역은 (그림 1)의 그래프로 이해할 수 있다.
여기서 일반적인 출력전류 및 전원과 2셀 태양열 패널의 패널 전압을 비교하고 MPP도 볼 수 있다. MPP는 주변온도와 빛의 함수이므로 시간에 따라 변한다. 태양열에 의존하는 충전 IC는 조건 변화에 따라 MPP를 추적할 수 있는 적절한 회로가 있어야 한다.
MPPT(Maximum Power Point Tracking) 기법은 패널 전압이 개방 회로 전압의 고정된 일부로 유지되는 간단한 개방 루프 기법부터 입출력 전원을 측정하고 패널 전압을 적절히 조정하는 복잡한 마이크로컨트롤러 기반 기법까지 있다. MPPT 기법은 비용과 효율간의 장단점을 따라 선택하며 애플리케이션에 크게 좌우된다.

역누설 보호

역누설(Reverse leakage)은 배터리에 충전된 전하가 에너지원으로 복귀하여 사라지는 현상으로 배터리 전압이 에너지원보다 높을 때 발생한다. 콘센트나 USB 전원의 전압은 항상 배터리 전압보다 높기 때문에 이러한 조건은 콘센트나 USB 전원을 사용할 때 발생하지 않는다.
태양열 패널의 경우, 충분한 빛을 받지 못하면 패널의 전압이 배터리 전압보다 낮아질 수 있다. (그림 2a)는 배터리와 분리할 수 있는 기능을 가진 스위치 S1이 있는 배터리와 연결된 간단한 USB 기반 충전 IC이다.
태양열 패널의 경우, 동일한 조건을 사용했을 때, 스위치의 보디 다이오드는 태양열 패널의 전압이 배터리 전압보다 낮아지면 켜진다. 이러한 문제를 해결하기 위해 일반적으로 사용되는 방법으로 백투백 스위치가 있다(그림 2b 참조).

충전 종료

리튬이온 배터리 충전은 배터리에 인가된 전류와 전압을 정밀하게 제어하여 최대 용량까지 충전하고, 수명주기 감소를 방지하고, 위험한 상태를 예방해야 한다.
일반적인 리튬이온 배터리 충전 과정(그림 3)은 전조건화, 정전류 충전 및 정전압 충전의 3 페이즈(phases, 작업 단위)로 나뉜다.

충전 프로필

전조건화 페이즈 중에, 배터리는 일반적으로 0.1C 정전류로 충전되어 천천히 배터리 전압을 약 2.5V까지 올린다. 이 페이즈는 완전 방전된 배터리에만 사용된다.
이 페이즈가 끝나면 정전류 충전이 사용된다. 정전류 충전 페이즈 중, 배터리 전압이 일반적으로 4.2V에 도달할 때까지 일반적으로 1C 전류가 인가된다. 이때, 4.2V 정전압원이 사용된다.
이 페이즈에서, 배터리로 인가되는 전류가 0.1C로 떨어지면, 충전이 종료된다. 전류가 0.1C 밑으로 떨어지면, 충전원이 공급원에서 완전히 분리되어야 한다. 그렇지 않을 경우, 금속 리튬의 도금이 발생하여 배터리가 불안정하게 될 수 있으며, 이는 위험한 상태로 이어질 수 있다.
리튬이온 배터리 충전종료는 배터리로 인가되는 전류를 바탕으로 하여 배터리의 최대 용량까지 충전되게 해야 한다.
배터리로 인가되는 전류를 감시하는 정전압 페이즈에서 이러한 프로필 유지와 관련된 문제가 주로 발생한다. 셀 용량의 증가가 아니라 주변 조건의 변화로 인한 태양열 패널 출력의 감소로 인해 배터리로 인가되는 전류가 감소될 수 있다.
이러한 경우, 배터리는 완전히 충전돼지 못하고 태양열 패널은 배터리와 무한정 연결된다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 타이머를 사용하여 배터리 용량에 관계없이 태양열 패널을 충전 IC에서 분리하여 피해를 방지할 수 있다.

패널 출력 붕괴 방지

기존 충전 IC의 경우, 전원의 전류와 전압이 미리 알려져 충전 IC를 전원 범위 내에서 작동하게 설계할 수 있다. 태양열 패널 출력의 경우, 전류 성능과 개방 회로 전압이 동적이며 주변 환경에 좌우되어 제어 루프 설계가 더욱 까다롭다.
충전 IC 설계는 필요한 충전 프로필을 유지하려다 태양열 패널을 의도하지 않게 붕괴시켜서는 안 된다. 패널 전압이 붕괴하면, 패널에서 유용한 에너지를 추출할 수 없다. 태양열 패널이 배터리에서 유도된 전류를 제공하지 않는 정전류 페이즈에서 패널 붕괴가 주로 발생할 수 있다. 이러한 상태가 발생하면, 패널 전압이 빠르게 붕괴한다. 충전 IC 설계는 전압 강하를 감지하고 즉시 전류 누설을 줄여야 한다.
여러 가지 배터리 충전 제어 IC가 있다. 그러한 칩으로 TI의 bq24210 (그림 4)가 있으며, 고집적 리튬이온 선형 충전 IC로서 저렴한 비규제 어댑터, USB 입력 또는 태양열로 작동한다.
이 디바이스는 프로그래머블 최대 충전 전류가 800mA 이며, 전압 통제 정확도는 1%이다. 태양열 패널을 사용한 충전율을 최대화하기 위해, bq24210 IC는 MPPT와 동등한 선택 가능한 배터리 추적 모드를 갖고 있다. 또한 과전압, 고온 및 단락으로부터 배터리를 보호한다.